tổng quan về PLC

Chương 1 1 Tổng quan về điều khiển 1 1.1 Khái niệm chung về điều khiển 1 1.2 Cấu trúc một qui trình điều khiển 2 1.3 Các loại điều khiển 3 1.4 Hệ thống số 4 1.5 Các khái niệm xử lý thông tin 5 1.5.1 Bit 5 1.5.2 Byte 6 1.5.3 Word 6 1.5.4 DoubleWord 6 Chương 2 7 Bộ điều khiển lập trình PLC 7 2.1 Giới thiệu 7 2.2 Sự khác nhau giữa hệ điều khiển bằng relay và hệ điều khiển bằng PLC 8 2.3 Cấu trúc của một PLC 11 2.4 Các khối của PLC 13 2.4.1 Khối nguồn cung cấp 13 2.4.2 Bộ nhớ chương trình 13 2.4.3 Khối trung tâm (CPU) 15 2.4.4 Khối vào 15 2.4.5 Khối ra 15 2.4.6 Các khối đặc biệt 16 2.5 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC 16 Chương 3 19 Bộ điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200 19 3.1 Cấu hình cứng 19 3.1.1 Khối xử lý trung tâm 19 3.1.2 Khối mở rộng 23 3.2 Màn hình điều khiển 26 3.3 Các vùng nhớ 26 3.4 Qui ước địa chỉ trong PLC S7-200 29 3.4.1 Truy xuất theo bit 29 3.4.2 Truy xuất theo byte (8 bit) 30 3.4.3 Truy xuất theo word (16 bit) 30 4.4.4 Truy xuất theo 2 word (Double word = 32 bit) 31 3.5 Xử lý chương trình 32 Chương 4 34 Phần mềm Micro/Win và ngôn ngữ lập trình 34 4.1 Cài đặt phần mềm STEP 7-Micro/WIN 34 4.2 Các phần tử cơ bản trong chương trình PLC S7-200 34 4.2.1 Chương trình chính OB1 (main program) 34 4.2.2 Chương trình con SUB (subroutine) 34 4.2.3 Chương trình ngắt INT(interrupt routine) 34 4.2.4 Khối hệ thống (system block) 35 4.2.5 Khối dữ liệu (data block) 35 4.3 Ngôn ngữ lập trình 35 4.3.1 Dạng hình thang: LAD (Ladder logic) 35 4.3.2 Dạng khối chức năng: FBD (Function Block Diagram) 36 4.3.3 Dạng liệt kê lệnh: STL (StaTement List) 36 4.4. Soạn thảo chương trình với phần mềm STEP7-Micro/Win V4.0 SP6 37 4.4.1 Mở màn hình soạn thảo chương trình 37 4.4.1.1 Vùng soạn thảo chương trình 37 4.4.1.2 Cây lệnh 37 Chương 5 46 Các phép toán logic 46 5.1 Ngăn xếp (logic stack) trong S7-200 46 5.2 Các phép toán logic cơ bản 46 5.2.1 Phép toán AND 47 5.2.2 Phép toán OR 47 5.2.3 Tổ hợp các cổng AND và OR 48 5.2.4 Phép toán XOR 50 5.3 Xử lý các tiếp điểm, cảm biến được nối với ngõ vào PLC 51 5.4 Ví dụ ứng dụng các liên kết logic 53 5.4.1 Mạch tự duy trì ưu tiên mở máy 53 5.4.2 Mạch tự duy trì ưu tiên dừng máy 54 5.4.3 Điều khiển ON/OFF động cơ có chỉ báo 55 5.4.4 Điều khiển đảo chiều quay động cơ 57 5.5 Bit nhớ M (bit memory) 59 5.6 Các lệnh SET, RESET và mạch nhớ RS 62 5.6.1 Lệnh SET 62 5.6.2 Lệnh RESET (R) 63 5.6.3 Mạch nhớ R-S 63 5.6.3.1 Ưu tiên SET (khâu SR) 63 5.6.4 Các qui tắc khi sử dụng Set và Reset 64 5.6.5 Ví dụ ứng dụng mạch nhớ R-S 65 5.7 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu và lệnh NOT 68 5.7.1 Lệnh NOT 68 5.7.2 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu 68 5.8 Các Bit nhớ đặc biệt (Special Memory bits) 70 Chương 6 Bộ định thời (Timer) 72 6.1 Giới thiệu 72 6.2 Timer đóng mạch chậm TON 73 6.3 Timer đóng mạch chậm có nhớ TONR 74 6.4 Timer mở mạch chậm TOF 75 6.5 Ứng dụng Timer 76 6.5.1 Tạo xung có tần số theo mong muốn 76 6.5.2 Tạo Timer xung và timer xung có nhớ 77 6.5.2.1 Timer xung (Pulse timer) 77 6.5.2.2 Timer xung có nhớ (Extended Pulse timer) 78 6.5.3 Đảo chiều quay động cơ có khống chế thời gian 79 6.5.4 Chiếu sáng Garage 82 6.5.5 Thiết bị rót chất lỏng vào thùng chứa 83 Chương 7 Bộ đếm (Counter) 87 7.1 Giới thiệu 87 7.2 Bộ đếm lên CTU (Count Up) 87 7.3 Bộ đếm xuống CTD (Count Down) 88 7.4 Bộ đếm lên-xuống CTUD (Count Up/Down) 90 7.5 Ứng dụng bộ đếm 91 7.5.1 Đếm sản phẩm được đóng gói 91 7.5.2 Kiểm soát chỗ cho Garage ngầm 93

Chương 1 1

Tổng quan về điều khiển 1

1.1 Khái niệm chung về điều khiển 1

1.2 Cấu trúc một qui trình điều khiển 2

1.3 Các loại điều khiển 3

1.4 Hệ thống số 4

1.5 Các khái niệm xử lý thông tin 5

1.5.1 Bit 5

1.5.2 Byte 6

1.5.3 Word 6

1.5.4 DoubleWord 6

Chương 2 7

Bộ điều khiển lập trình PLC 7

2.1 Giới thiệu 7

2.2 Sự khác nhau giữa hệ điều khiển bằng relay và hệ điều khiển bằng PLC 8

2.3 Cấu trúc của một PLC 11

2.4 Các khối của PLC 13

2.4.1 Khối nguồn cung cấp 13

2.4.2 Bộ nhớ chương trình 13

2.4.3 Khối trung tâm (CPU) 15

2.4.4 Khối vào 15

2.4.5 Khối ra 15

2.4.6 Các khối đặc biệt 16

2.5 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC 16

Chương 3 18

Bộ điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200 18

3.1 Cấu hình cứng 18

3.1.1 Khối xử lý trung tâm 18

3.1.2 Khối mở rộng 22

3.2 Màn hình điều khiển 25

3.3 Các vùng nhớ 25

3.4.1 Truy xuất theo bit 28

3.4.2 Truy xuất theo byte (8 bit) 29

3.4.3 Truy xuất theo word (16 bit) 29

4.4.4 Truy xuất theo 2 word (Double word = 32 bit) 30

3.5 Xử lý chương trình 31

Chương 4 33

Phần mềm Micro/Win và ngôn ngữ lập trình 33

4.1 Cài đặt phần mềm STEP 7-Micro/WIN 33

4.2 Các phần tử cơ bản trong chương trình PLC S7-200 33

4.2.1 Chương trình chính OB1 (main program) 33

4.2.2 Chương trình con SUB (subroutine) 33

4.2.3 Chương trình ngắt INT(interrupt routine) 33

4.2.4 Khối hệ thống (system block) 34

4.2.5 Khối dữ liệu (data block) 34

4.3 Ngôn ngữ lập trình 34

4.3.1 Dạng hình thang: LAD (Ladder logic) 34

4.3.2 Dạng khối chức năng: FBD (Function Block Diagram) 34

4.3.3 Dạng liệt kê lệnh: STL (StaTement List) 35

4.4 Soạn thảo chương trình với phần mềm STEP7-Micro/Win V4.0 SP6 35

4.4.1 Mở màn hình soạn thảo chương trình 35

4.4.1.1 Vùng soạn thảo chương trình 36

4.4.1.2 Cây lệnh 36

Chương 5 43

Các phép toán logic 43

5.1 Ngăn xếp (logic stack) trong S7-200 43

5.2 Các phép toán logic cơ bản 43

5.2.1 Phép toán AND 44

5.2.2 Phép toán OR 44

5.2.3 Tổ hợp các cổng AND và OR 45

5.2.4 Phép toán XOR 47

5.3 Xử lý các tiếp điểm, cảm biến được nối với ngõ vào PLC 48

5.4.1 Mạch tự duy trì ưu tiên mở máy 50

5.4.2 Mạch tự duy trì ưu tiên dừng máy 51

5.4.3 Điều khiển ON/OFF động cơ có chỉ báo 52

5.4.4 Điều khiển đảo chiều quay động cơ 54

5.5 Bit nhớ M (bit memory) 56

5.6 Các lệnh SET, RESET và mạch nhớ RS 58

5.6.1 Lệnh SET 58

5.6.2 Lệnh RESET (R) 59

5.6.3 Mạch nhớ R-S 59

5.6.3.1 Ưu tiên SET (khâu SR) 59

5.6.4 Các qui tắc khi sử dụng Set và Reset 61

5.6.5 Ví dụ ứng dụng mạch nhớ R-S 61

5.7 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu và lệnh NOT 64

5.7.1 Lệnh NOT 64

5.7.2 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu 64

5.8 Các Bit nhớ đặc biệt (Special Memory bits) 66

Chương 6 Bộ định thời (Timer) 68

6.1 Giới thiệu 68

6.2 Timer đóng mạch chậm TON 69

6.3 Timer đóng mạch chậm có nhớ TONR 70

6.4 Timer mở mạch chậm TOF 71

6.5 Ứng dụng Timer 72

6.5.1 Tạo xung có tần số theo mong muốn 72

6.5.2 Tạo Timer xung và timer xung có nhớ 73

6.5.2.1 Timer xung (Pulse timer) 73

6.5.2.2 Timer xung có nhớ (Extended Pulse timer) 74

6.5.3 Đảo chiều quay động cơ có khống chế thời gian 75

6.5.4 Chiếu sáng Garage 78

6.5.5 Thiết bị rót chất lỏng vào thùng chứa 79

Chương 7 Bộ đếm (Counter) 83

7.1 Giới thiệu 83

7.3 Bộ đếm xuống CTD (Count Down) 84

86

7.4 Bộ đếm lên-xuống CTUD (Count Up/Down) 86

7.5 Ứng dụng bộ đếm 87

7.5.1 Đếm sản phẩm được đóng gói 87

7.5.2 Kiểm soát chỗ cho Garage ngầm 89

Chương 1

Tổng quan về điều khiển

1.1 Khái niệm chung về điều khiển

Điều khiển có nhiệm vụ thực hiện các chức năng riêng của một máy móc hay thiết

bị theo một trình tự hoạt động định trước phụ thuộc vào trạng thái của máy hay bộ phát tínhiệu

Sự điều khiển được phân biệt theo các đặc điểm khác nhau:

* Theo loại biểu diễn thông tin

- Điều khiển nhị phân: Xử lý tín hiệu đầu vào nhị phân (tín hiệu 1-0) thànhcác tín hiệu ra nhị phân

- Điều khiển số: Xử lý các thông tin số, có nghĩa các thông tin được biểu diễndưới dạng số

* Theo loại xử lý tín hiệu

- Điều khiển liên kết: Các trạng thái tín hiệu xác định của ngõ ra được điềukhiển bởi các trạng thái tín hiệu của ngõ vào tuỳ thuộc vào các chức năng liên kết(AND, OR, NOT)

- Điều khiển trình tự: Điều khiển với trình tự theo từng bước, sự đóng mạchcủa một bước sau xảy ra phụ thuộc vào điều kiện đóng mạch tiếp theo Điều kiệnđóng mạch tiếp theo có thể phụ thuộc vào qui trình hay thời gian

- Điều khiển không đồng bộ: Việc điều khiển được xử lý ở sự thay đổi trựctiếp của tín hiệu ngõ vào không cần tín hiệu xung phụ (điều khiển chậm)

- Điều khiển đồng bộ xung: Việc điều khiển được xử lý ở các tín hiệu chỉđồng bộ với một tín hiệu xung (điều khiển nhanh)

* Theo loại thực hiện chương trình

- Điều khiển theo chương trình kết nối cứng: Loại điều khiển này có thể đượclập trình cố định, có nghĩa không thể thay đổi được ví dụ như lắp đặt dây nối cốđịnh hay có thể thay đổi chương trình thông qua các đầu nối (ma trận diode)

- Điều khiển khả trình: Chức năng điều khiển được lưu giữ trong một bộ nhớchương trình Nếu sử dụng bộ nhớ đọc/ghi (RAM), thì có thể thay đổi chương trình

mà không cần can thiệp đến phần cơ khí (điều khiển có thể lập trình tự do) Nếungược lại là một bộ nhớ chỉ đọc (ROM), thì chương trình có thể được thay đổi bằngcách thay đổi bộ nhớ (điều khiển có thể thay đổi chương trình)

Hình 1.1: Sơ đồ các loại điều khiển

1.2 Cấu trúc một qui trình điều khiển

Mỗi sự điều khiển được chia ra làm 3 bộ phận hợp thành: Ngõ vào dữ liệu (ngõ vàotín hiệu), Xử lý dữ liệu (xử lý tín hiệu cũng như các liên kết) và ngõ ra dữ liệu (ngõ ra tínhiệu) Dòng dữ liệu trong một sự điều khiển xảy ra từ đầu vào dữ liệu qua phần xử lý dữliệu đến ngõ ra dữ liệu

Hình 1.2: Cấu trúc chung của một qui trình điều khiển

+ Ngõ vào tín hiệu: Bao gồm các loại tín hiệu của các bộ phát tín hiệu như nút nhấn,công tắc hành trình, cảm biến điện dung, cảm biến điện cảm.v.v Tuỳ thuộc vào loại điềukhiển, các tín hiệu có thể là nhị phân, số hay tín hiệu tương tự

+ Giao tiếp: Phần này cần thiết, nếu tín hiệu của một hệ thống lạ cần phải được xử lý.Một bộ phận chuyển đổi từ tín hiệu ngõ vào thành tín hiệu phù hợp với mức của tín

hiệu xử lý được đặt ở phần giao tiếp

+ Xử lý: Toàn bộ các liên kết, trình tự thời gian, các chức năng nhớ, đếm.v.v đượcthực hiện trong phần này

+ Phần xử lý là phần chính của tất cả các hệ thống điều khiển Các kỹ thuật điềukhiển có tiếp điểm như khởi động từ phụ, relay thời gian, kỹ thuật điều khiển bằng mạchđiện tử (như AND, OR, NOT ) được PLC hay máy tính điều khiển quá trình tổng hợp tạiđây

+ Khuếch đại: Các tín hiệu từ phần xử lý có mức độ công suất bé được khuếch đạilớn lên nhiều lần ở đây để có thể điều khiển các khởi động từ, van từ hay các đối tượngđiều khiển khác và các đèn báo

+ Ngõ ra: Phần này được kết nối với đối tượng điều khiển mà có ảnh hưởng trực tiếpđến quá trình điều khiển (ví dụ: Khởi động từ, van từ, thyristor, v.v )

1.3 Các loại điều khiển

Trong kỹ thuật điều khiển cũng như tự động hóa, người ta chia ra làm hai loại điềukhiển: điều khiển kết nối cứng và điều khiển khả trình

* Điều khiển kết nối cứng

Điều khiển kết nối cứng là loại điều khiển mà các chức năng của nó được đặt cốđịnh (nối dây) Nếu muốn thay đổi chức năng điều đó có nghĩa là thay đổi kết nối dây.Điều khiển kết nối cứng có thể thực hiện với các tiếp điểm (Relay, khởi động từ, v.v.) hayđiện tử (mạch điện tử)

* Điều khiển khả trình (PLC)

Điều khiển khả trình là loại điều khiển mà chức năng của nó được đặt cố định thôngqua một chương trình còn gọi là bộ nhớ chương trình Sự điều khiển bao gồm một thiết bịđiều khiển mà ở đó tất cả các bộ phát tín hiệu cần thiết và đối tượng điều khiển được kếtnối cho một chức năng cụ thể Nếu chức năng điều khiển cần được thay đổi, thì chỉ phảithay đổi chương trình bằng thiết bị lập trình ở đối tượng điều khiển tương ứng hay cắmmột bộ nhớ chương trình đã lập trình khác vào trong điều khiển

1.4 Hệ thống số

Trong xử lý các phần tử nhớ, các ngõ vào, các ngõ ra, thời gian, các ô nhớ v.v bằngPLC thì hệ thập phân không được sử dụng mà là hệ thống số nhị phân (hệ hai trị)

* Hệ nhị phân

Hệ nhị phân chỉ có các số 0 và 1, có thể được đọc và biểu diễn giá trị dễ dàng trong

kỹ thuật Giá trị định vị của một số nhị phân là số mũ của hai

Độ lớn của số thông thường được biểu diễn ở dạng mã BCD (Binary-Code-Decimal).Đối với mỗi số Decimal được viết với số nhị phân 4 vị trí

1.5 Các khái niệm xử lý thông tin

Trong PLC, hầu hết các khái niệm trong xử lý thông tin cũng như dữ liệu đều được

sử dụng như Bit, Byte, Word và doubleword

1.5.1 Bit

Bit là đơn vị thông tin nhị phân nhỏ nhất, có có thể có giá trị 0 hoặc 1

Chương 2

Bộ điều khiển lập trình PLC

2.1 Giới thiệu

Các thành phần của kỹ thuật điều khiển điện và điện tử ngày càng đóng một vai trò

vô cùng to lớn trong lĩnh vực tự động hóa ngày càng cao Trong những năm gần đây, bêncạnh việc điều khiển bằng Relay và khởi động từ thì việc điều khiển có thể lập trình đượccàng phát triển với hệ thống đóng mạch điện tử và thực hiện lập trình bằng máy tính.Trong nhiều lĩnh vực, các loại điều khiển cũ đã được thay đổi bởi các bộ điều khiển có thểlập trình được, có thể gọi là các bộ điều khiển logic khả trình, viết tắt trong tiếng Anh làPLC (Programmable Logic Controller)

Sự khác biệt cơ bản giữa điều khiển logic khả trình (thay đổi được qui trình hoạtđộng) và điều khiển theo kết nối cứng (không thay đổi được qui trình hoạt động) là: Sự kếtnối dây không còn nữa, thay vào đó là chương trình

Có thể lập trình cho PLC nhờ vào các ngôn ngữ lập trình đơn giản Đặc biệt đối vớingười sử dụng không cần nhờ vào các ngôn ngữ lập trình khó khăn, cũng có thể lập trìnhPLC được nhờ vào các liên kết logic cơ bản

Như vậy thiết bị PLC làm nhiệm vụ thay thế phần mạch điện điều khiển trong khâu

xử lý số liệu Nhiệm vụ của sơ đồ mạch điều khiển sẽ được xác định bởi một số hữu hạncác bước thực hiện xác định gọi là chương trình Chương trình này mô tả các bước thựchiện gọi một tiến trình điều khiển, tiến trình này được lưu vào bộ nhớ nên được gọi là điềukhiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình Trên cơ sở khác nhau ở khâu xử lý sốliệu có thể biểu diễn hai hệ điều khiển như sau:

Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển thì người ta thay đổi mạch điều khiển: Lắp lạimạch, thay đổi các phần tử mới ở hệ điều khiển bằng relay điện Trong

khi đó khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển ở hệ điều khiển logic khả trình (PLC)

thì người ta chỉ thay đổi chương trình soạn thảo.

2.2 Sự khác nhau giữa hệ điều khiển bằng relay và hệ điều khiển bằng PLC

Sự khác nhau giữa hệ điều khiển bằng relay và hệ điều khiển bằng PLC có thể minhhoạ một cách cụ thể như sau: Điều khiển hệ thống của 3 máy bơm qua 3 khởi động từ K1,K2, K3 Trình tự điều khiển như sau: Các khởi động từ chỉ được phép thực hiện tuần tự,nghĩa là K1 đóng trước, tiếp theo K2 đóng và cuối cùng K3 mới đóng

Để thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu trên mạch điều khiển được thiết kế như sau:

Khởi động từ K2 sẽ đóng khi công tắc S3 đóng với điều kiện là khởi động từ K1 đãđóng trước đó Phương thức điều khiển như vậy được gọi là điều khiển trình tự Tiến trìnhđiều khiển này được thực hiện một cách cưỡng bức

- Phần tử vào: Các nút nhấn S1, S2, S3, S4 vẫn giữ nguyên

- Phần tử ra: Ba khởi động từ K1, K2, K3, để đóng và mở ba máy bơm vẫn giữnguyên

- Phần tử xử lý: Được thay thế bằng PLC

Sơ đồ kết nối với PLC được cho như ở hình 2.3 Trình tự đóng mở theo yêu cầu đề

ra sẽ được lập trình, chương trình sẽ được nạp vào bộ nhớ

Bây giờ giả thiết rằng nhiệm vụ điều khiển sẽ thay đổi Hệ thống ba máy bơm vẫngiữ nguyên, nhưng trình tự được thực hiện như sau: chỉ đóng được hai trong ba máy bơmhoặc mỗi máy bơm có thể hoạt động một cách độc lập

Như vậy theo yêu cầu mới đối với hệ thống điều khiển bằng relay điện phải thiết kếlại mạch điều khiển, sơ đồ lắp ráp phải thực hiện lại hoàn toàn mới Sơ đồ mạch điều khiểnbiễu diễn như hình 2.4

Như vậy mạch điều khiển sẽ thay đổi rất nhiều nhưng phần tử đưa tín hiệu vào và ravẫn giữ nguyên, chi phí cho nhiệm vụ mới sẽ cao hơn

Nếu ta thay đổi hệ điều khiển trên bằng hệ điều khiển lập trình PLC, khi nhiệm vụđiều khiển thay đổi thì thực hiện sẽ nhanh hơn và đơn giản hơn bằng cách thay đổi lạichương trình

Hệ điều khiển lập trình PLC có những ưu điểm sau:

- Thích ứng với những nhiệm vụ điều khiển khác nhau

- Khả năng thay đổi đơn giản trong quá trình đưa thiết bị vào sử dụng

- Tiết kiệm không gian lắp đặt

- Tiết kiệm thời gian trong quá trình mở rộng và phát triển nhiệm vụ điều khiểnbằng cách copy các chương trình

- Các thiết bị điều khiển theo chuẩn

- Không cần các tiếp điểm

- v.v…

Hệ thống điều khiển lập trình PLC được sử rộng rất rộng rãi trong các ngành khácnhau:

- Điều khiển thang máy

- Điều khiển các quá trình sản xuất khác nhau: sản suất bia, sản xuất xi măng v.v

- Hệ thống rửa ô tô tự động

- Khả năng truyền thông

Các bộ điều khiển lớn thì các thành phần trên được lắp thành các modul riêng Đốivới các bộ điều khiển nhỏ, chúng được tích hợp trong bộ điều khiển Các bộ điều khiểnnhỏ này có số lượng ngõ vào/ra cho trước cố định Bộ điều khiển được cung cấp tín hiệubởi các tín hiệu từ các cảm biến ở ngõ vào của nó Tín hiệu này được xử lý tiếp tục thôngqua chương trình điều khiển đặt trong bộ nhớ chương trình Kết quả xử lý được đưa ra ngõ

ra để đến đối tượng điều khiển hay khâu điều khiển ở dạng tín hiệu

Cấu trúc của một PLC có thể được mô tả như hình vẽ sau:

* Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ chương trình trong PLC là một bộ nhớ điện tử đặc biệt có thể đọc được Nếu

sử dụng bộ nhớ đọc-ghi được (RAM), thì nội dung của nó luôn luôn được thay đổi ví dụnhư trong trường hợp vận hành điều khiển Trong trường hợp điện áp nguồn bị mất thì nộidung trong RAM có thể vẫn được giữ lại nếu như có sử dụng Pin dự phòng

Nếu chương trình điều khiển làm việc ổn định, hợp lý, nó có thể được nạp vào một

bộ nhớ cố định, ví dụ như EPROM, EEPROM Nội dung chương trình ở EPROM có thể bịxóa bằng tia cực tím

* Hệ điều hành

Sau khi bật nguồn cung cấp cho bộ điều khiển, hệ điều hành của nó sẽ đặt cáccounter, timer, dữ liệu và bit nhớ với thuộc tính non-retentive (không được nhớ bởi Pin dựphòng) cũng như ACCU về 0

Để xử lý chương trình, hệ điều hành đọc từng dòng chương trình từ đầu đến cuối.Tương ứng hệ điều hành thực hiện chương trình theo các câu lệnh

* Bit nhớ (Bit memory)

Các bit memory là các phần tử nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ trạng thái tín hiệu

* Bộ đệm (Proccess Image)

Bộ đệm là một vùng nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ các trạng thái tín hiệu ở các ngõvào ra nhị phân

* Accumulator

Accumulator là một bộ nhớ trung gian mà qua nó timer hay counter được nạp vàohay thực hiện các phép toán số học

2.4 Các khối của PLC

Các khối khác nhau của một PLC được cho như hình 2.6

2.4.1 Khối nguồn cung cấp

Khối nguồn có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới (110V hay 220V) thành điện áp thấphơn cung cấp cho các khối của thiết bị tự động Điện áp này là 24VDC Các điện áp chocảm biến, thiết bị điều chỉnh và các đèn báo nằm trong khoảng (24 220V) có thể đượccung cấp thêm từ các nguồn phụ ví dụ như biến áp

2.4.2 Bộ nhớ chương trình

Các phần tử nhớ là các linh kiện mà thông tin có thể được lưu trữ (được nhớ) trong

nó ở dạng tín hiệu nhị phân Trong PLC các bộ nhớ bán dẫn được sử dụng làm bộ nhớ

chương trình Một bộ nhớ bao gồm 512, 1024, 2048 phần tử nhớ, các phần tử nhớ nàysắp đặt theo các địa chỉ từ 0 tới 511, 1023 hoặc 2047 … thông thường số lượng của cácphần tử nhớ trong một bộ nhớ cho biết dung lượng của nó là bao nhiêu kilobyte (1kB =

1024 byte) Trong mỗi ô nhớ có thể mô tả một câu lệnh điều khiển nhờ thiết bị lập trình.Mỗi phần tử nhị phân của một ô nhớ có thể có trạng thái tín hiệu "0" hoặc "1"

Sơ đồ của một bộ nhớ chương trình được cho như hình 2.7

* Bộ nhớ đọc-ghi RAM (random-access memory)

Bộ nhớ ghi-đọc có 1 số lượng các ô nhớ xác định Mỗi ô nhớ có 1 dung lượng nhớ

cố định và nó chỉ tiếp nhận 1 lượng thông tin nhất định Các ô nhớ được ký hiệu bằng cácđịa chỉ riêng của nó Bộ nhớ này chứa các chương trình còn sửa đổi hoặc các dữ liệu, kếtquả tạm thời trong quá trình tính toán, lập trình Đặc điểm của loại này là dữ liệu sẽ mất đikhi hệ thống mất điện RAM được hình dung như một tủ chứa có nhiều ngăn kéo Mỗingăn kéo được đánh số một địa chỉ và người ta có thể cất vào hoặc lấy các dữ liệu ra

* Bộ nhớ cố định ROM (read-only memory)

Bộ nhớ cố định (ROM) chứa các thông tin không có khả năng xóa được và khôngthể thay đổi được Các thông tin này do các nhà sản xuất viết ra và không thể thay đổiđược Chương trình trong bộ nhớ ROM có nhiệm vụ sau:

- Điều khiển và kiểm tra các chức năng hoạt động của CPU Được gọi là hệ điềuhành

- Dịch ngôn ngữ lập trình thành ngôn ngữ máy

Một ROM có thể so sánh với một quyển sách Trong đó nó chứa các thông tin cốđịnh, không thể thay đổi được và ta chỉ đọc các thông tin đó mà thôi Đặc điểm của loạinày là dữ liệu vẫn tồn tại khi mất điện

* EPROM (eraseable read-only memory)

EPROM là một bộ nhớ cố định có thể lập trình và xóa được Nội dung của EPROM

có thể xóa bằng tia cực tím và có thể lập trình lại

* EEPROM (electrically eraseable read-only memory)

EEPROM là bộ nhớ cố định có thể lập trình và xóa bằng điện Mỗi ô nhớ trongEEPROM cho phép lập trình và xóa bằng điện

2.4.3 Khối trung tâm (CPU)

Khối CPU là loại khối có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian,

bộ đếm, cổng truyền thông và có thể còn có một vài cổng vào ra số Các cổng vào ra số

có trên CPU được gọi là cổng vào/ra onboard

2.4.4 Khối vào

Các ngõ vào của khối này sẽ được kết nối với các bộ chuyển đổi tín hiệu và biến đổicác tín hiệu này thành tín hiệu phù hợp với tín hiệu xử lý của CPU Dựa vào loại tín hiệuvào sẽ có các khối ngõ vào tương ứng Gồm có hai loại khối vào cơ bản sau:

Khối vào số (DI: Digital Input):

Các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhịphân như nút nhấn, công tắc, cảm biến tạo tín hiệu nhị phân.v.v Do tín hiệu tại ngõ vào

có thể có mức logic tương ứng với các điện áp khác nhau, do đó khi sử dụng cần phải chú

ý đến điện áp cần thiết cung cấp cho khối vào phải phù hợp với điện áp tương ứng mà bộchuyển đổi tín hiệu nhị phân tạo ra

Ví dụ: Các nút nhấn, công tắc được nối với nguồn 24VDC thì yêu cầu phải sử dụngkhối vào có nguồn cung cấp cho nó là 24VDC

Khối vào tương tự (AI: Analog Input):

Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự (hay còn gọi là tín hiệu analog)thành tín hiệu số Các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tínhiệu analog như cảm biến nhiệt độ (Thermocouple), cảm biến lưu lượng, ngõ ra analog củabiến tần.v.v Khi sử dụng các khối vào analog cần phải chú ý đến loại tín hiệu analogđược tạo ra từ các bộ chuyển đổi (cảm biến)

Ví dụ: Các cảm biến tạo ra tín hiệu analog là dòng điện (4 20 mA) thì phải sử dụngngõ vào analog là loại nhận tín hiệu dòng điện (4 20 mA) Nếu cảm biến tạo ra tín hiệuanalog là điện áp (0 5V) thì phải sử dụng ngõ vào analog nhận tín hiệu là điện áp (0 5V)

2.4.5 Khối ra

Khối này có nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu sau xử lý của CPU (được gởi đếnvùng đệm ra) cung cấp cho đối tượng điều khiển là cuộn dây, đèn báo, van từ.v.v Tùythuộc vào đối tượng điều khiển nhận tín hiệu dạng nào mà sẽ có các khối ra tương ứng.Gồm có hai loại khối ra tiêu biểu:

Khối ra số (DO: Digital Output):

Các ngõ ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhịphân như đèn báo, cuộn dây relay.v.v Vì đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân sửdụng nhiều cấp điện áp khác nhau nên khi sử dụng các khối ra số cần phải chú ý đến điện

áp cung cấp cho nó có phù hợp với điện áp cung cấp cho đối tượng điều khiển hay không.Theo loại điện áp sử dụng, ngõ ra số được phân thành hai loại:

- Điện áp một chiều (DC: Direct Current): Gồm có hai loại ngõ ra là Transistor vàrelay Thông thường trong công nghiệp điện áp một chiều được sử dụng là 24V

- Điện áp xoay chiều (AC: Alternative Current): Gồm có hai loại ngõ ra là relay vàTRIAC

Khối ra tương tự (AO: Analog Output):

Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số được gởi từ CPU đến đối tượng điềukhiển thành tín hiệu tương tự Các ngõ ra của khối này được kết nối với các đối tượng điềukhiển nhận tín hiệu tương tự như ngõ vào analog của biến tần, van tỷ lệ,.v.v Khi sử dụngcác ngõ ra tương tự cần chú ý đến loại tín hiệu tương tự cung cấp cho đối tượng điều khiển

có phù hợp với tín hiệu tương tự mà đối tượng điều khiển cần nhận hay không

Ví dụ: Ngõ vào analog của biến tần nhận tín hiệu là điện áp (0 10V) thì nhất thiếtphải sử dụng ngõ ra tương tự tạo ra tín hiệu analog là điện áp (0 10V)

2.4.6 Các khối đặc biệt

Ngoài ra còn có một số khối khác đảm nhận các chức năng đặc biệt như xử lý truyềnthông, thực hiện các chức năng đặc biệt như: điều khiển vị trí, điều khiển vòng kín, đếmtốc độ cao.v.v

Tùy thuộc vào từng loại PLC mà các khối trên có thể ở các dạng module riêng hoặcđược tích hợp chung trong khối xử lý trung tâm (CPU)

2.5 Phương thức thực hiện chương trình trong PLC

Hình vẽ minh họa việc xử lý chương trình trong CPU được cho như hình 2.8

PLC thực hiện chương trình cheo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét(scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tớivùng bộ đệm ảo ngõ vào (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từngdòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Sau giai đoạnthực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo ngõ ra (Q) tới cáccổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scantime) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng đượcthực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét thực hiện lâu, có vòng quétthực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng

dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệuđiều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nóicách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiểntrong PLC Thời gian quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao Tạithời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổngvào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số Việc truyền thônggiữa bộ đệm ảo với ngoại vi do hệ điều hành CPU quản lý Ở một số module CPU, khi gặplệnh vào/ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình

xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra

Chương 3

Bộ điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200

3.1 Cấu hình cứng

3.1.1 Khối xử lý trung tâm

PLC S7-200 là thiết bị điều khiển lập trình loại nhỏ (micro PLC) của hãng Siemens(CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng Thành phần cơ bảncủa S7 - 200 là khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao gồm hai chủngloại: CPU 21x và CPU 22x Mỗi chủng loại có nhiều CPU Loại CPU 21x ngày nay khôngcòn sản xuất nữa, tuy nhiên hiện vẫn còn sử dụng rất nhiều trong các trường học và trongsản xuất Tiêu biểu cho loại này là CPU 214 CPU 214 có các đặc tính như sau:

- Bộ nhớ chương trình (chứa trong EEPROM): 4096 Byte (4 kByte)

- Bộ nhớ dữ liệu (Vùng nhớ V): 4096 Byte (trong đó 512 Byte chứa trong EEPROM)

- Số lượng ngõ vào:14,

- Số lượng ngõ ra: 10 ngõ ra digital tích hợp trong CPU

- Số module mở rộng: 7 gồm cả module analog

- Số lượng vào/ra số cực đại: 64

- Số lượng Timer:128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer1ms, 16 Timer 10 ms và 108 Timer có độ phân giải 100ms

- Số lượng Counter: 128 bộ đếm chia làm hai loại: 96 Counter Up và 32 CounterUp/Down

- Bit memory (Vùng nhớ M): 256 bit

- Special memory (SM): 688 bit dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

- Có phép tính số học

- Bộ đếm tốc độ cao (High-speed counters): 2 counter 2 KHz và 1 counter 7 KHz

- Ngõ vào analog tích hợp sẵn (biến trở): 2

- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặcxuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bịmất nguồn nuôi

Sơ đồ bề mặt của bộ điều khiển logic khả trình S7-200 CPU 214 được cho như hình3.1

Hình 3.1: Bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 214

* Mô tả các đèn báo trên CPU 214:

- SF (Đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị lỗi Đèn SF sáng lên khi PLC có lỗi

- RUN (Đèn xanh): cho biết PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trìnhđược nạp vào trong bộ nhớ chương trình của PLC

- STOP (Đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định PLC đang ở chế độ dừng Dừngchương trình đang thực hiện lại

- I x.x (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng (x.x =0.0 - 1.5) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

- Qy.y (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời của cổng (y.y =0.0 - 1.1) Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

Hiện nay, CPU 22x với nhiều tính năng vượt trội đã thay thế loại CPU 21x và hiệnđang được sử dụng rất nhiều Tiêu biểu cho loại này là CPU 224

Thông tin về CPU 22x được cho như bảng 3.1 và hình dáng CPU 224 ở hình 3.2

Bảng 3.1: Bảng dữ liệu về CPU họ 22x

* Chọn chế độ làm việc cho PLC

Công tắc chọn chế độ làm việc nằm ở phía trên, có ba vị trí cho phép chọn các chế

độ làm việc khác nhau của PLC:

- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLC S7-200 sẽ rời khỏichế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố, hoặc trong chươngtrình gặp lệnh STOP

- STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độSTOP Ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh, nạp, xóa một chương trình

- TERM: Cho phép người dùng từ máy tính quyết định chọn một trong hai chế độlàm việc cho PLC hoặc RUN hoặc STOP

Hình 3.2: Bộ điều khiển lập trình CPU 224

* Cổng truyền thông

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục vụcho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyền chomáy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự do là từ

300 baud đến 38400 baud

Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG720 (hãng Siemens) hoặc với các loại máylập trình thuộc họ PG7xx có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua MPI Cáp đó đi kèm theomáy lập trình

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 cần có cáp nối PC/PPI với bộchuyển đổi RS232/RS485, và qua cổng USB ta có cáp USB/PPI

* Card nhớ, pin, clock (CPU 221, CPU222)

S7-200 cung cấp nhiều biện pháp đảm bảo cho chương trình người dùng, dữ liệuchương trình và cấu hình dữ liệu được duy trì sau:

Một tụ điện với điện dung lớn cho phép nuôi bộ nhớ RAM sau khi bị mất nguồn điệncung cấp Tùy theo loại CPU mà thời gian lưu trữ có thể kéo dài nhiều ngày Chẳng hạn ởCPU 224 là khoảng 100 giờ

Vùng nhớ EEPROM cho phép lưu chương trình, các vùng nhớ được người dùngchọn chứa vào EEPROM và cấu hình dữ liệu Cho phép gắn thêm Pin để nuôi RAM vàcho phép kéo dài thêm thời gian lưu trữ dữ liệu, có thể lên đến 200 ngày kể từ khi mấtnguồn điện Nguồn của Pin sẽ được lấy sau khi tụ điện đã xả hết

- Card Clock / Battery module: đồng hồ thời gian thực (Real-time clock) cho CPU

221, 222 và nguồn pin để nuôi đồng hồ và lưu dữ liệu Thời gian sử dụng đến 200 ngày

* Biến trở chỉnh giá trị analog:

Hai biến trở này được sử dụng như hai ngõ vào analog cho phép điều chỉnh các biếncần phải thay đổi và sử dụng trong chương trình

- Card nhớ: Được sử dụng để lưu trữ chương trình Chương trình chứa trong cardnhớ bao gồm: program block, data block, system block, công thức (recipes), dữ liệu đo(data logs), và các giá trị cưỡng bức (force values)

- Card pin: Dùng để mở rộng thời gian lưu trữ các dữ liệu có trong bộ nhớ Nguồnpin được tự động chuyển sang khi tụ trong PLC cạn Pin có thể sử dụng đến 200 ngày

* Biến trở chỉnh giá trị analog:

Hai biến trở này được sử dụng như hai ngõ vào analog cho phép điều chỉnh các biếncần phải thay đổi và sử dụng trong chương trình

3.1.2 Khối mở rộng

Trên các CPU đã tích hợp sẵn một số các ngõ vào và ngõ ra số, chẳng hạn như CPU

224 DC/DC/DC có sẵn 16 ngõ vào và 14 ngõ ra Tuy nhiên trong thực tế, xuất phát từ yêucầu điều khiển như: cần nhiều hơn số ngõ vào/ra có sẵn, có sử dụng tín hiệu analog hay cócác yêu cầu về truyền thông, nối mạng các PLC…mà ta phải gắn thêm vào CPU các khối

mở rộng (Expansion module) có các chức năng khác nhau (bảng 4.2)

3.1.2.1 Digital module

Các module số gắn thêm vào khối CPU để mở rộng số lượng các ngõ vào/ra số Khối ngõ vào số DI (Digital Input): Siemens sản xuất các khối ngõ vào số như: DI8

x 24VDC, DI8 x AC120/230V, DI16 x 24VDC

Khối ngõ ra số (Digital Output): Các ngõ ra này được chia ra làm 3 loại là ngõ ra

DC, ngõ ra AC và ngõ ra relay Điện áp ngõ ra có thể là 24Vdc hoặc 230Vac tùy loại, với

số lượng ngõ ra có thể là 4 hoặc 8 Ngoài ra còn có sự kết hợp các ngõ vào và ra số trêncùng một module

3.1.2.2 Analog module

Ngoại trừ CPU 224XP có tích hợp sẵn 2 ngõ vào và 1 ngõ ra analog (2AI/1AO) đểkết nối với ngoại vi nhận và phát tín hiệu analog, thì hầu hết các CPU khác của họ S7-200đều không có tích hợp sẵn Vì vậy khi điều khiển với tín hiệu analog thì yêu cầu người sửdụng phải gắn thêm các khối analog

Khối ngõ vào tương tự AI (Analog Input): Tín hiệu analog ngõ vào có thể là tín hiệuđiện áp hoặc dòng điện Tùy thuộc vào tín hiệu analog cần đọc là loại nào mà người sửdụng có thể cài đặt cho phù hợp bằng các công tắc được gắn trên module (Chi tiết xemchương xử lý tín hiệu analog) Hiện có các khối ngõ vào: 4AI, 8AI Đối với tín hiệu analogđược tạo ra bởi thermocoupe (cặp nhiệt) và RTD thì sử dụng các module đo nhiệt tươngứng (bảng 3.2)

Khối ngõ ra tương tự AO (Analog Output): Tín hiệu tương tự này có thể là điện áphoặc dòng điện tùy theo người dùng cài đặt Tín hiệu ra là điện áp nằm trong khoảng ±

10Vdc tương ứng với giá trị số từ -32000 tới + 32000 và tín hiệu dòng điện nằm trongkhỏang từ 0 - 20mA tương ứng với giá trị số từ 0 tới +32000

Ngoài các khối trên còn có các khối có sự kết hợp cả 2 loại tín hiệu vào và ra analogtrên cùng một khối

Bảng 3.2: Các loại khối mở rộng

3.1.2.3 Intelligent module

Các PLC S7-200 có thể nối vào các loại mạng khác nhau để tăng cường khả năng

mở rộng, truyền thông với các thiết bị khác trong hệ thống tự động hóa

- Master trong mạng AS-Interface: Giao tiếp AS-i (Actuator Sensor Interface) haygiao tiếp actuator/sensor là hệ thống kết nối cho cấp quá trình thấp nhất trong hệ thống tựđộng hóa nhằm tối ưu hóa việc kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành với thiết bị tự độnghóa Với module CP243-2 cho phép kết nối mạng AS-Interface vào PLC S7-200 và đóngvai trò là master

- Kết nối vào mạng PROFIBUS-DP: Các PLC S7-200 có thể kết nối vào mạngProfibus hoạt động như một DP Slave nhờ vào khối mở rộng EM277 Việc sử dụngEM277 cho phép PLC S7-200 có thể kết nối truyền thông với các thiết bị trong mạngProfibus như: PLC S7-300, S7-400, màn hình điều khiển…

- Kết nối vào mạng Ethernet: Để có thể kết nối S7-200 vào mạng Industrial Ethernetthì cần có khối CP 243-1 Đây là khối truyền thông cho phép các PLC S7-200 có thể đượccấu hình, lập trình, chẩn đoán từ xa qua Ethernet nhờ phần mềm STEP 7 Micro/win Giúp

cho các CPU S7-200 có thể giao tiếp với các S7-200 khác, S7-300 hay S7-400 quaEthernet Các CPU có thể sử dụng là họ CPU 22X Có thể thực hiện cấu hình cho các CPUvào mạng Ethernet nhờ vào Wizard (Menu Tools → Ethernet wizard)

- Internet Technology: Khối mở rộng CP 243-1 IT cho phép các CPU S7-200 có thểthực hiện các giám sát hay thay đổi qua trình duyệt Web từ một PC có nối mạng Cácthông báo chẩn đoán có thể gửi qua email từ một hệ thống Sử dụng các chức năng IT chophép trao đổi các tập tin dữ liệu với các máy tính hay các hệ thống điều khiển khác Mỗimột khối CP 243-1IT chỉ nên kết nối cho 2 CPU S7-200

- Modem module: Cho phép kết nối trực tiếp S7-200 vào đường dây điện thoại, vàcung cấp truyền thông giữa S7-200 và Step 7- micro/Win Với công cụ Modem Expansionwizard cho phép thiết lập một modem ở xa hoặc kết nối S7-200 với một thiết bị ở xa quamodem Khả năng truyền thông của S7-200 được cho như hình 3.4

Với công cụ Position Control wizard trong phần mềm STEP 7 Micro/WIN

để thiết lập cấu hình cho module điều khiển vị trí Module điều khiển vị trí thườngđược sử dụng là EM253 SIWAREX MS: Là module cân đa năng và linh hoạt, nó được sửdụng với các hệ thống cân hoặc đo lực sử dụng PLC S7-200

Hình 3.4: Khả năng truyền thông của PLC S7-200

3.2 Màn hình điều khiển

Trong các yêu cầu điều khiển có giám sát thì đối với các PLC S7-200 chúng ta có thểgắn thêm các màn hình để điều khiển và giám sát Hiện có các loại là: màn hình hiển thịdòng văn bản (Text Display), màn hình điều khiển bằng bàn phím (Operator panel) và mànhình cảm ứng (Touch Panel)

* Bảng điều khiển hiển thị dòng văn bản (Text Display): Các màn hình này có giáthành thấp, cho phép người vận hành máy có thể xem, giám sát bằng các dòng văn bản vàthay đổi các thông số hay chế độ hoạt động của hệ thống điều khiển bằng các phím trênbảng điều khiển Gồm có các loại là TD100C, TD200C, TD 200, TD400C

Các bảng điều khiển này có thể được thiết lập các thông báo và nút nhấn điều khiển

dễ dàng bằng công cụ Text Display wizard (menu lệnh Tools > Text Display Wizard)trong STEP 7 Micro/WIN

* Operator Panel và Touch Panel: Các màn hình được ứng dụng điều khiển và giámsát các máy móc, thiết bị nhỏ Thời gian thiết lập cấu hình và vận hành nhanh với phầnmềm WinCC flexible Gồm có các loại: OP 73micro, TP 177micro (màn hình này thay thếcác màn hình trước TP 070/TP 170micro) (hình 3.6)

Hình 3.6: Màn hình OP 73micro và TP 177mico

3.3 Các vùng nhớ

Bộ nhớ của các PLC S7-200 được chia ra làm các vùng nhớ như bảng 3.3

* Vùng nhớ đệm ngõ vào số I:

CPU sẽ đọc trạng thái tín hiệu của tất cả các ngõ vào số ở đầu mỗi chu kỳ quét, sau

đó sẽ chứa các giá trị này vào vùng nhớ đệm ngõ vào Có thể truy cập vùng nhớ này theobit, Byte, Word hay Doubleword

* Vùng nhớ đệm ngõ ra số Q:

Trong quá trình xử lý chương trình CPU sẽ lưu các giá trị xử lý thuộc vùng nhớ ngõ

ra vào đây Tại cuối mỗi vòng quét CPU sẽ sao chép nội dung vùng nhớ đệm này vàchuyển ra các ngõ ra vật lý Có thể truy cập vùng nhớ này theo bit, Byte, Word hayDoubleword

* Vùng nhớ biến V:

Sử dụng vùng nhớ V để lưu trữ các kết quả phép toán trung gian có được do các xử

lý logic của chương trình Cũng có thể sử dụng vùng nhớ để lưu trữ các dữ liệu khác liênquan đến chương trình hay nhiệm vụ điều khiển Có thể truy cập vùng nhớ này theo bit,Byte, Word hay Doubleword

* Vùng nhớ M:

Có thể coi vùng nhớ M như là các relay điều khiển trong chương trình để lưu trữtrạng thái trung gian của một phép toán hay các thông tin điều khiển khác Có thể truy cậpvùng nhớ này theo bit, Byte, Word hay Doubleword

* Vùng nhớ bộ định thời T:

S7-200 cung cấp vùng nhớ riêng cho các bộ định thời, các bộ định thời được sử dụngcho các yêu cầu điều khiển cần trì hoãn thời gian Giá trị thời gian sẽ được đếm tăng dầntheo 3 độ phân giải là 1ms, 10ms và 100ms

Bảng 3.3: Các vùng nhớ và đặc điểm của CPU S7-200.

* Vùng nhớ bộ đếm C:

Có 3 loại bộ đếm là bộ đếm lên, bộ đếm xuống và bộ đến lên-xuống Các bộ đến sẽtăng hoặc giảm giá trị hiện hành khi tín hiệu tại ngõ vào thay đổi trạng thái từ mức thấp lênmức cao

* Vùng nhớ bộ đếm tốc độ cao HC (High speed Counter):

Các bộ đếm tốc độ cao được sử dụng để đếm các sự kiện tốc độ cao độc lập với vòngquét của CPU Giá trị đếm là số nguyên 32 bit có dấu Để truy xuất giá trị đếm của các bộđếm tốc độ cao cần xác định địa chỉ của bộ đếm tốc độ cao, sủ dụng vùng nhớ HC và sốcủa bộ đếm, ví dụ HC0 Giá trị đếm hiện hành của các bộ đếm tốc độ cao là các giá trị chỉđọc và truy xuất theo double word

* Các thanh ghi AC (Accumulators):

Các thanh ghi AC là các phần tử đọc/ghi mà có thể được dùng để truy xuất giốngnhư bộ nhớ Chẳng hạn, có thể sử dụng các thanh ghi để truy xuất các thông số từ cácchương trình con (Subroutine) và lưu trữ các giá trị trung gian để sử dụng cho tính toán.Các CPU S7-200 có 4 thanh ghi là AC0, AC1, AC2 và AC3 Chúng ta có thể truy xuất dữliệu trong các thanh ghi này theo Byte, Word, và Doubleword

* Vùng nhớ đặc biệt SM (Special Memory):

Các bit SM là các phần tử cho phép truyền thông tin giữa CPU và chương trìnhngười dùng Có thể sử dụng các bit này để chọn lựa và điều khiển một số chức năng đặcbiệt của CPU, chẳng hạn như bit lên mức 1 trong vòng quét đầu tiên, các bit phát ra cácxung có tần số 1Hz…Chúng ta truy xuất vùng nhớ SM theo bit, byte, word, doubleword

* Vùng nhớ cục bộ L (Local Memory Area):

Vùng nhớ này có độ lớn 64 Byte, trong đó 60 byte có thể được dùng như vùng nhớcục bộ hay chuyển các thông số tới các chương trình con, 4 byte cuối dùng cho hệ thống.Vùng nhớ này tương tự như vùng nhớ biến V chỉ khác ở chỗ các biến vùng nhớ V chophép sử dụng ở tất cả các khối chương trình còn vùng nhớ L chỉ có tác dụng trong phạm visoạn thảo của một khối chương trình mà thôi Vị trí biến thuộc vùng nhớ L trong chươngtrình chính thì không thể sử dụng ở chương trình con và ngược lại

* Vùng nhớ ngõ vào tương tự AI (Analog Inputs):

Các PLC S7-200 chuyển giá trị một tương tự (chẳng hạn điện áp hay nhiệt độ) thànhgiá trị số và chứa vào một vùng nhớ 16 bit Bởi vì các giá trị tương tự chiếm một vùng nhớword nên chúng luôn luôn có các giá trị word chẵn, chẳng hạn như AIW0, AIW2,AIW4 và là các giá trị chỉ đọc

* Vùng nhớ ngõ ra tương tự AQ (Analog Outputs):

Các PLC S7-200 chuyển một giá trị số 16 bit sang giá trị điện áp hoặc dòng điện,tương ứng với giá trị số (digital) Giống như các ngõ vào tương tự chúng ta chỉ có thể truyxuất các ngõ ra tương tự theo word Và là các giá trị word chẵn, chẳng hạn như AQW0,AQW2, AQW4

3.4 Qui ước địa chỉ trong PLC S7-200

3.4.1 Truy xuất theo bit

Để truy xuất địa chỉ theo dạng Bit chúng ta xác định vùng nhớ, địa chỉ của Byte vàđịa chỉ của Bit

Hình 3.7: Vùng nhớ ngõ vào I

Trong hình 3.7 là bản đồ vùng nhớ của bộ đệm dữ liệu ngõ vào I (Process ImageInput) Bản đồ của các vùng nhớ khác cũng có cấu trúc tương tự như vậy Bit thấp nhất làbit 0 nằm bên phải và bit cao nhất là bit 7 nằm bên trái Do đó chúng ta hoàn toàn có thểkhai báo tương tự như ví dụ trên, chẳng hạn như: Q1.0, V5.2, M0.1…Dung lượng của cácvùng nhớ phụ thuộc vào loại CPU mà chúng ta sử dụng

3.4.2 Truy xuất theo byte (8 bit)

Khi truy xuất dữ liệu theo byte, chúng ta xác định vùng nhớ, và thứ tự của byte cầntruy xuất

Tương tự như ví dụ ta khai báo cho các vùng nhớ khác, chẳng hạn như IB3, MB2,QB5

3.4.3 Truy xuất theo word (16 bit)

Đối với truy xuất vùng nhớ theo dạng word chúng ta cũng cần xác định vùng nhớcần truy xuất, khai báo dạng word và địa chỉ của word trong vùng nhớ Mỗi một vùng nhớdạng word sẽ gồm 2 byte và được gọi là byte thấp và byte cao

Ví dụ:

Chú ý:

- Đối với tín hiệu tương tự (Analog) thì chúng ta chỉ có một dạng truy xuất duy nhất

là truy xuất theo word Điều này là do mỗi tín hiệu tương tự sẽ ứng với một giá trị sốnguyên 16 bit Ví dụ: AIW0, AIW2, AQW0…

- Khi truy xuất địa chỉ theo word thì hai word liền kề nhau bắt buộc cách nhau 2byte Ví dụ ta cần chứa 2 dữ liệu dạng số interger vào vùng biến V, thì dữ liệu thứ nhất giả

sử chứa vào VW20 thì word kế tiếp lưu dữ liệu thứ hai là VW22

4.4.4 Truy xuất theo 2 word (Double word = 32 bit)

Khi truy xuất vùng nhớ 32 bit, tương ứng với 4 byte Trong đó gồm có word thấp,word cao và byte thấp, byte cao

Ví dụ: VD100

Bảng tóm tắt việc truy xuất các vùng nhớ theo bit, byte, word và double word đượccho ở bảng 3.4

Bảng 3.4: Truy xuất các vùng nhớ theo địa chỉ bit, byte, word, double word

Tóm lại, về cơ bản chúng ta có bốn dạng truy xuất dữ liệu như trên Trong mỗi yêucầu điều khiển cụ thể chúng ta sẽ chọn truy xuất theo dạng nào

- Kiểm tra trạng thái của các tín hiệu được tạo ra từ các ngoại vi nối với ngõ vào sốnhư nút nhấn, cảm biến, công tắc hành trình…thì sẽ chọn truy xuất là bit, trong trường hợpnày thì chọn địa chỉ ngõ vào tương ứng được kết nối ví dụ như I0.0, I0.5, I1.1

- Xuất tín hiệu ra các cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu nhị phân như relay, đèn báo,van từ … thì sẽ chọn truy xuất là bit, trong trường hợp này thì chọn địa chỉ ngõ ra tươngứng được kết nối ví dụ như Q0.0, Q0.2, Q1.0…

- Nhận tín hiệu từ các cảm biến tạo ra tín hiệu analog như cảm biến nhiệt độ, áp suất,

độ ẩm … thì sử dụng địa chỉ word, ví dụ: AIW0, AIW2, AIW4…

- Xuất tín hiệu analog ra các cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu analog như ngõ vàoanalog biến tần, van tỉ lệ … thì sử dụng địa chỉ word, ví dụ: AQW0, AQW2, AQW4…

- Trong quá trình thực hiện chương trình cần lưu trữ thông tin ở dạng số 16 bit nhưđếm số sản phẩm (số nguyên 16 bit) thì truy cập địa chỉ word, còn ở dạng 32 bit như nhiệt

độ, áp suất (số thực) thì truy cập địa chỉ double word…

- Xuất dữ liệu ra ngõ ra

Hình 3.8 là một sơ đồ đơn giản chỉ mối quan hệ giữa sơ đồ điện và PLC S7-200 Cácnút nhấn khởi động/dừng động cơ được kết nối với ngõ vào Trạng thái của các ngõ vàotùy thuộc vào nút nhấn Các trạng thái của ngõ vào sẽ quyết định trạng thái của ngõ ra.Ngõ ra được kết nối với contactor

Tùy theo trạng thái của ngõ ra mà contactor có điện hay mất điện và tương ứng động

cơ sẽ hoạt động hay dừng

Hình 3.8: Điều khiển ngõ vào và ra Hình 3.9: Chu kỳ quét S7-200

* Chu kỳ quét trong S7-200

S7-200 thực hiện một loạt các nhiệm vụ theo chu kỳ Việc thực hiện các nhiệm vụtheo chu kỳ được gọi là chu kỳ quét (scan cycle) Hình 4.9 là ví dụ một chu kỳ quét S7-

200 thực hiện các nhiệm vụ sau trong một chu kỳ quét:

- Đọc ngõ vào: S7-200 sao chép trạng thái của các ngõ vào vật lý vào bộ đệm ngõvào

Digital inputs: Mỗi chu kỳ quét bắt đầu bằng cách đọc giá trị hiện hành các ngõ vào

số và sau đó ghi các giá trị này vào vùng đệm ngõ vào

Analog inputs: S7-200 không cập nhật các ngõ vào analog từ các module mở rộngnếu là chu kỳ quét bình thường trừ khi có kích hoạt khâu lọc các ngõ vào analog (xemchương xử lý tín hiệu analog) Bộ lọc analog được cung cấp cho phép ta có một tín hiệu ổnđịnh hơn Có thể cho phép bộ analog ở mỗi điểm ngõ vào analog Khi một ngõ vào analogđược kích hoạt ở bộ lọc, S7-200 cập nhật ngõ vào analog mỗi một lần trong chu kỳ quét vàlưu trữ giá trị lọc Giá trị lọc được cung cấp mỗi khi truy cập ngõ vào analog Khi bộ lọcanalog không được kích hoạt, S7-200 đọc giá trị ngõ vào analog từ module mở rộng mỗilần chương trình truy xuất ngõ vào analog

- Thực hiện theo logic điều khiển trong chương trình: S7-200 thực hiện các lệnhtrong chương trình và lưu giá trị vào vùng nhớ

Khi thực hiện chu kỳ quét, S7-200 thi hành từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh cuối cùng.Các lệnh truy cập I/O tức thì cho phép ta truy xuất ngay lập tức các ngõ vào và ngõ ra khithực hiện chương trình cũng như chương trình ngắt (interrupt routine) Nếu có sử dụng cácngắt trong chương trình (chương trình ngắt được gọi bởi các yêu cầu ngắt) thì nó khôngđược thực hiện ở chu kỳ quét bình thường Nó được thực hiện khi có sự kiện ngắt (có thểxảy ra tạibất kỳ thời điểm nào trong chu kỳ quét)

- Xử lý bất kỳ yêu cầu truyền thông nào: S7-200 thi hành bất kỳ nhiệm vụ được yêucầu cho truyền thông Trong giai đoạn xử lý thông tin của chu kỳ quét, S7-200 xử lý bất kỳthông tin nào nhận được từ cổng truyền thông hoặc từ các module truyền thông (intelligentI/O module)

- Thực hiện tự chẩn đoán CPU: S7-200 tự kiểm tra để đảm bảo phần firmware, bộnhớ chương trình, và bất kỳ các moule mở rộng nào cũng đang làm việc đúng

Trong giai đoạn này, S7-200 kiểm tra cho hoạt động thích hợp của CPU và trạng tháicủa bất kỳ module mở rộng nào

- Xuất ra ngõ ra: Các giá trị được lưu trong vùng đệm ngõ ra sẽ được xuất ra các ngõ

ra vật lý

Tại cuối mỗi chu kỳ, S7-200 xuất các giá trị được lưu trong bộ đệm ngõ ra đến cácngõ ra số (Các ngõ ra analog thì được cập nhật ngay lập tức, không phụ thuộc vào chu kỳquét)

Việc thực hiện chương trình còn tùy thuộc vào S7-200 đang ở chế độ STOP hay chế

độ RUN Ở chế độ RUN thì chương trình được thực hiện; còn ở chế độ STOP thì chươngtrình không được thực hiện

Chương 4

Phần mềm Micro/Win và ngôn ngữ lập trình

4.1 Cài đặt phần mềm STEP 7-Micro/WIN

STEP 7-Micro/WIN là một phần mềm lập trình cho họ PLC S7-200 Hiện phiên bảnđang được sử dụng là STEP 7-Micro/Win V4.0 hoặc V5.5

4.2 Các phần tử cơ bản trong chương trình PLC S7-200

Các phần tử cơ bản trong một chương trình PLC S7-200 là:

1 Chương trình chính (main program)

2 Chương trình con (subroutine)

3 Chương trình ngắt (interrupt rountine)

4 Khối hệ thống (system block)

5 Khối dữ liệu (data block)

4.2.1 Chương trình chính OB1 (main program)

Đây là phần khung của chương trình, chứa các lệnh điều khiển chương trình ứngdụng Với một số chương trình điều khiển nhỏ, đơn giản chúng ta có thể viết tất cả cáclệnh trong khối này Chương trình ứng dụng được xử lý bắt đầu từ chương trình chính, cáclệnh được xử lý lần lượt từ trên xuống dưới và chỉ một lần ở mỗi vòng quét Trong S7-200chương trình được chứa trong khối OB1

4.2.2 Chương trình con SUB (subroutine)

Các lệnh viết trong chương trình con chỉ có thể được xử lý khi chương trình conđược gọi (Call) từ chương trình chính, từ một chương trình con khác hoặc từ một chươngtrình ngắt Sử dụng chương trình con khi chúng ta muốn phân chia nhiệm vụ điều khiển.Mỗi một chương trình con viết cho một nhiệm vụ nhỏ hoặc khi có các yêu cầu điều khiểntương tự nhau (ví dụ: điều khiển băng tải 1, điều khiển băng tải 2…) thì chúng ta chỉ cầntạo ra chương trình con một lần và có thể gọi ra nhiều lần từ chương trình chính

Sử dụng chương trình con có một số ưu điểm sau:

- Chương trình điều khiển được chia theo nhiệm vụ điều khiển nên có cấu trúc rõràng, rất thuận tiện cho việc chỉnh sửa hay kiểm tra chương trình

- Giảm thời gian vòng quét của chương trình CPU không phải liên tục xử lý tất cảcác lệnh của chương trình mà chỉ xử lý chương trình con khi có lệnh gọi tương ứng

- Chương trình con cho phép giảm công việc soạn thảo khi có các yêu cầu điềukhiển tương tự nhau

4.2.3 Chương trình ngắt INT(interrupt routine)

Chương trình ngắt được thiết kế để sử dụng cho một sự kiện ngắt được định nghĩatrước Bất cứ khi nào sự kiện ngắt xác định xảy ra, thì S7-200 thực hiện chương trình ngắt.Chương trình ngắt không được gọi bởi chương trình chính mà theo sự kiện ngắt xảy ra.Chương trình ngắt sẽ chỉ được xử lý mỗi khi sự kiện ngắt xảy ra

4.2.4 Khối hệ thống (system block)

System block cho phép ta cấu hình các tùy chọn phần cứng khác nhau cho S7-200

4.2.5 Khối dữ liệu (data block)

Data block lưu trữ các giá trị biến khác nhau (vùng nhớ V) được sử dụng trongchương trình Giá trị ban đầu của các dữ liệu có thể nhập vào trong khối dữ liệu

4.3 Ngôn ngữ lập trình

Để có thể soạn thảo chương trình cho các PLC S7-200, chúng ta dùng phần mềmStep7 MicroWin Và cũng giống như PLC của các hãng khác, chúng ta có 3 dạng soạnthảo thông dụng là dạng LAD, FBD và STL Việc chọn dạng soạn thảo nào để viết chươngtrình điều khiển là do người dùng tùy chọn

4.3.1 Dạng hình thang: LAD (Ladder logic)

Ở dạng soạn thảo này chương trình được hiển thị gần giống như sơ đồ nối dây mộtmạch trang bị điện dùng các relay và contactor Chúng ta xem như có một dòng điện từmột nguồn điện chạy qua một chuỗi các tiếp điểm logic ngõ vào từ trái qua phải để tới ngõ

ra Chương trình điều khiển được chia ra làm nhiều Network, mỗi một Network thực hiệnmột nhiệm vụ nhỏ và cụ thể Các Network được xử lý lần lượt từ trên xuống dưới và từ tráisang phải

Các phần tử chủ yếu dùng trong dạng soạn thảo này là:

- Tiếp điểm không đảo:

- Tiếp điểm đảo:

- Ngõ ra (hoặc trạng thái nội của biến):

- Các hộp chức năng (Box): các chức năng được biểu diễn ở dạng hộp nhưcác phép toán số học, định thời, bộ đếm…

Ví dụ:

Dạng soạn thảo này có một số ưu điểm:

 Dễ dàng cho những người mới bắt đầu lập trình

 Biểu diễn dạng đồ họa dễ hiểu và thông dụng

 Luôn luôn có thể chuyển từ dạng STL sang LAD

4.3.2 Dạng khối chức năng: FBD (Function Block Diagram)

Dạng soạn thảo FBD hiển thị chương trình ở dạng đồ họa tương tự như sơ đồ cáccổng logic FBD không sử dụng khái niệm đường nguồn cung cấp trái và phải; do đó kháiniệm “dòng điện” không được sử dụng Thay vào đó là logic ”1” Không có tiếp điểm vàcuộn dây như ở dạng LAD, nhưng có các cổng logic và các hộp chức năng Các cổng logicnhư AND, OR, XOR…sẽ tương ứng với các tiếp điểm logic nối tiếp hay song song…

Ví dụ:

Đầu ra của các cổng logic hay hộp chức năng có thể được sử dụng để nối tiếp vớiđầu vào của các cổng logic hay các hộp chức năng khác Với dạng soạn thảo này có một sốđiểm chính sau:

 Biểu diễn ở dạng đồ họa các cổng chức năng giúp chúng ta dễ đọc hiểu theo trình

tự điều khiển

 Luôn có thể chuyển từ hiển thị dạng FBD sang STL

4.3.3 Dạng liệt kê lệnh: STL (StaTement List)

Đây là dạng soạn thảo chương trình dạng tập hợp các câu lệnh Người dùng phảinhập các câu lệnh từ bàn phím, giữa lệnh và toán hạng (toán hạng có thể là địa chỉ, dữ liệu)

có khoảng trắng và mỗi lệnh chiếm một hàng Ở dạng soạn thảo này sẽ có một số chứcnăng mà ở dạng soạn thảo LAD hay FBD không có

Ví dụ:

Dạng sọan thảo này có một số điểm chính:

• Là dạng sọan thảo phù hợp cho những người có kinh nghiệm lập trình PLC

• STL cho phép giải quyết một số vấn đề mà đôi khi khó khăn khi dùng LAD hoặcFBD

• Luôn luôn có thể chuyển từ dạng LAD hay FBD về dạng STL nhưng khi chuyểnngược lại từ STL sang LAD hay FBD sẽ có một số phần tử chương trình khôngchuyển được

4.4 Soạn thảo chương trình với phần mềm STEP7-Micro/Win V4.0 SP6

4.4.1 Mở màn hình soạn thảo chương trình

Để mở STEP 7 Micro/WIN, nhấp đúp chuột vào biểu tượng STEP 7-Micro/WINtrên màn hình desktop, hoặc chọn Start > SIMATIC > STEP 7 MicroWIN V4.0 Giao diệnmàn hình có dạng (hình 4.1)